Neurogenesi

Il SNC è in grado di attivare dei processi rigenerativi come epiteli e muscolo? Agli inizi del XX secolo Cajal, dopo studi ed osservazioni, avanzò una teoria: una volta completato il processo di sviluppo del cervello le fonti di rigenerazione e crescita cellulare vengono irrevocabilmente soppresse: possiamo perdere neuroni ma non acquisirne di altri. Questo è stato il dogma centrale della neurochirurgia per più di un secolo.

Neurogenesi embrionale

Molti dei processi molecolari caratteristici dello sviluppo embrionale li ritroviamo, in una finestra temporale molto più ristretta, attivati anche nell’organismo adulto nelle fasi di rigenerazione.

Partendo dall’uovo fecondato, si va avanti nel processo di sviluppo e si arriva allo stadio di blastocisti e in seguito la blastocisti si impianta. Possiamo immaginare “l’impianto” come un albero: il tronco rappresenta lo stadio di impianto della blastocisti e alla fine del processo della gastrulazione (negli animali, nell’uomo si parla di transizione epitelio mesenchima) abbiamo 3 foglietti germinativi che possiamo indicare come dei grossi rami e sono l’endoderma, il mesoderma e l’ectoderma. Da un unico foglietto germinativo possono svilupparsi tessuti completamente diversi tra di loro sia per morfologia che per funzione (pelle, sistema nervoso, peli, ghiandola mammaria). Capire come da un unico foglietto germinativo si formino gli altri “rametti” è fondamentale ed è alla base sia dell’embriologia molecolare che della rigenerazione tissutale.

Sia la pelle che il sistema nervoso derivano dell’ectoderma, in particolar modo il sistema nervoso deriva dal neuro ectoderma che va incontro ad una prima invaginazione formando due regioni del tubo neurale in formazione rappresentato dalle pliche neurali, queste si avvicinano le une alle altre, fondono e portano alla formazione del tubo neurale. A questa fusione non partecipano alcune cellule localizzate a livello delle pliche neurali e sono quelle che perdono i contatti in quanto down regolano fattori come le proteine di adesione (caderine, integrine) e vanno a costituire le cellule della cresta neurale. Inizialmente è unica, poi si divide in due regioni che vanno ad occupare la regione post mediale del tubo neurale. Dal tubo neurale e dalle creste neurali origineranno gli elementi cellulari che compongono il sistema nervoso ad eccezione della microglia che ha un’origine mesodermica.

Chi decide quali regioni dell’ectoderma diventeranno neuroectoderma e quali epidermide? Si è visto che hanno importanza i fattori morfogeni che regolano il differenziamento di questa regione e in particolar modo si è visto che le cellule che rispondono al segnale BMP (Bone Morfogenetic Protein) diventeranno cellule dell’epidermide. Le cellule dell’ectoderma che evitano questo segnale, perchè probabilmente si trovano localizzate a notevole distanza rispetto alla sorgente di produzione dei fattori BMP, diventano cellule del neuroectoderma. Il neuroectoderma andrò incontro ad una serie di processi che poi porteranno alla formazione del tubo neurale.

I fattori BMP si trovano localizzati selettivamente nelle regioni più dorsali del tubo neurale, quelle che vengono definite regioni del “Roof Plate”. Altri fattori di crescita vengono specificatamente espressi dalla regione più ventrale (Floor Plate) del tubo neurale quali ad esempio i fattori Hedgehog. Queste due regioni sono differenti: nella regione del Roof Plate si svilupperanno gli interneuroni invece nella regione del Floor Plate avrà origine la porzione del midollo spinale e si svilupperanno i motoneuroni. Una volta formato il neuroectoderma origineranno tutti i neuroni, in regioni diverse del tubo neurale, ma origineranno anche alcune delle cellule della glia derivanti sempre dal tubo neurale (astrociti, cellule pendimali e oligodendrociti); dalla cresta neurale origineranno le cellule satelliti del sistema nervoso e la cellule di Schwan, le quali hanno la stessa funzione degli oligodendrociti (mielinizzare gli assoni) ma mentre questi ultimi lavorano nel sistema nervoso centrale le cellule di Schwan lavorano nel sistema nervoso periferico. La microglia, altra componente della glia, origina dal mesoderma e ha la funzione dei macrofagi: il sistema nervoso ha bisogno dei suoi macrofagi a causa della barriera ematoencefalica.

Un precursore si svilupperà in neurone quando attiverà i fattori di regolazione neurogenica  (analogamente a ciò che accade nel muscolo scheletrico dove ci sono master gene (MyoD) in grado di orchestrare l’intero programma di espressione genica muscolo specifica) come HLH che istruisce i neuroni ad entrare nelle via di neurogenesi. Grazie a PMB e Hedgehog avverrà poi la specializzazione dei neuroni.

Generalmente l’espressione di questi fattori può essere controllata da fattori di trascrizione che interferiscono con i fattori neuronali (HLH) quindi possiamo avere una down regolazione di HLH e una over espressione di questi fattori di trascrizione e un differenziamento degli oligodendrociti.

Per quanto riguarda gli astrociti non sono ancora stati individuati i master genes e i fattori che possono spingere il differenziamento di un precursore del sistema nervoso verso il processo astrogliogenico.

La regione ventrale del tubo neurale, nonché la notocorda, è responsabile della produzione di segnali determinati soprattutto da gradienti di Sonic-Hedgehog che sono molto concentrati nella parte ventrale e mano a mano che si muovono il gradiente tende a diminuire e avremo meno concentrazione di Sonic-Hedgehog.

Nella regione dorsale c’è un diverso segnale determinato dai fattori BMP, fondamentali affinchè Sonic-Hedgehog non vada a disturbare i segnali nelle regioni dorsali.

(Se  Sonic-Hedgehog si spingesse oltre, anche nelle regioni dove non dovrebbe essere espresso, non avremo un corretto sviluppo dei neuroni. Tutti i segnali devono essere quindi per controllati e il gradiente di concentrazione deve essere sempre garantito.)

Facendo un’ibridazione in-situ si nota come i diversi membri della famiglia BMP siano selettivamente localizzati nelle regioni del Roof Plate, che daranno origine agli interneuroni. Se si va a trapiantare la notocorda, che si trova nelle regioni più ventrali, nella regione più dorsale sparisce completamente il segnale di induzione degli interneuroni: la produzione di Sonic-Hedgehog indotta dalla notocorda va a interferire con il normale processo di differenziamento degli interneuroni. Rimuovendo la notocorda dalla sua location originale non induceva nessun difetto nello sviluppo degli interneuroni perché essa influenza le regioni più ventrali.

Utilizzando degli inibitori farmacologici specifici delle diverse classi di BMP (Noggin per BMP-4 e Colistatina per BMP-7) c’è una significativa riduzione dei marcatori degli interneuroni. Nel corso dello sviluppo embrionale ci sono dei segnali molecolari ben controllati che influenzano il differenziamento dei diversi tipi di neuroni.

Anche le cellule della glia, che rappresentano una struttura di sostegno, hanno grande rilevanza nello sviluppo del sistema nervoso e nella neurogenesi del cervello adulto. Uno degli elementi cellulari della glia che incontriamo nel corso dello sviluppo iniziale dell’embrione sono le cellule radiali della glia, appartenenti agli astrociti. Il neurone si forma nelle regioni più interne del tubo neurale, per poter operare deve muoversi e raggiungere le regioni più esterne della corteccia dove poi prende i contatti con le cellule effettrici (altri neuroni o cellule post-sinaptiche come fibre muscolari). Il neurone quando nasce non ha i caratteristici prolungamenti che ha un neurone adulto: è una cellula proliferante, che entra in un percorso differenziativo, comincia ad emettere i suoi neuriti, questi diventano dendriti e uno diventerà l’assone.

Quando il neurone nasce si “aggrappa” alla cellula radiale della glia come se fosse una pertica muovendosi dalle regioni più interne verso le regioni più esterne. Nel corso della neurogenesi si formeranno per prime le cellule radiali della glia perché devono aiutare i neuroni a muoversi. Subito dopo queste cellule radiali o muoiono o si trasformano in astrociti.

Ordine di formazione durante la neurogenesi:

Cellule radiali della glia -> Neuroni -> Oligodendrociti -> Astrociti

A partire dai primi anni del 2000 si è visto che anche le cellule radiali della glia, oltre a svolgere delle funzioni classiche di sostegno e aiuto al neurone, hanno anche un’importante funzione come precursori neuronali. È stato visto iniettando della GFP nelle regioni del cervello dove erano presenti le cellule radiali della glia. È stato quindi osservato che la regione verde (dove si trova la GFP) era anche in grado di incorporare la Bromodesossiuridina, le cellule in questa regione erano quindi proliferanti. Inoltre le cellule erano in grado di esprimere sia i marcatori classici delle cellule gliali (vimentina) ma erano anche in grado di attivare l’espressione di marcatori del lineage neuronale (nestina). Era strano quindi che una cellula radiale della glia, che è tipicamente una cellula di sostegno, esprimesse dei marcatori tipici del precursore neuronale. Per capire se effettivamente queste cellule erano responsabili della neurogenesi i ricercatori sono andati a vedere quali erano i marcatori selettivi di queste cellule per poter poi alterare o modulare la loro espressione. Uno di questi marcatori è un fattore di trascrizione noto come Pax-6 che si esprime in modo selettivo solo nelle cellule radiali della glia. Dopo aver creato dei topi KO per questo fattore sono andati a contare il numero di neuroni presenti sia nel WT che nell’animale Pax-6^-/- . Ne è risultato che la percentuale di neuroni “puri” si riduce notevolmente nel topo KO per Pax-6, ciò sta ad indicare che probabilmente Pax-6 è il fattore che induce la neurogenesi nelle cellule radiali della glia che, quindi, oltre ad essere degli elementi di sostegno possono essere anche degli importanti precursori neurogenici.

Non c’era comunque un’ablazione totale della neurogenesi ma solo un’evidente riduzione.

Andando a studiare bene quello che succedeva è emerso che c’è una neurogenesi a carico delle cellule della glia (riduzione della neuro genesi dal 34 al 9% se vengono inattivati i fattori di queste cellule) e una neurogenesi indipendente dalle cellule della glia che non viene assolutamente toccata dal KO di Pax-6.

La “prova del 9” per capire se davvero Pax-6 è un master gene può essere la sua introduzione in una cellula già differenziata: si può trasfettare il cDNA di Pax-6 all’interno di astrociti e si nota che l’espressione ectopica di questo fattore è sufficiente a indurre un fenotipo neuronale in astrociti terminalmente differenziati.

Riassumendo:

• Le cellule radiali della glia oltre ad essere cellule di sostegno sono anche dei precursori dei neuroni
• Il fattore responsabile della neurogenesi a carico delle cellule radiali della glia è Pax-6
• Pax-6 è un master gene